中压电力线通信技术

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　　引言  

　　中压电力线通信(MV - PLC)技术是指利用电力传输网络中的中压电力线(通常指10KV电压等级)作为信号传输媒介，进行语音、数据信息的传输。该技术首先被应用于中压配电网的自动化数据传输平台中；近年来，中压电力线宽带网络接入以其基础设施完备、分布广泛、成本低廉的特点，正越来越受到关注，尤其是在偏远农村或者人口稀少的地区，具有极强的实用价值。  

　　中压PLC应用领域  

　　中压输电网覆盖面积广大，应用领域繁多，中压配电自动化对于国民经济的发展具有重要的意义，相关应用包括用电负荷控制、电网运行监测、集中抄表等。配电网自动化往往有数量巨大且分布分散的节点需进行控制和数据采集，故对数据通道的经济性有较高要求。中压PLC技术将传统中压电力网转变成为数据通信网，在建设成本、运行和维护费用等方面具有天然的优势，目前在韩国、美国、西班牙等国家已得到良好的应用，国内也开展了大量的研究和实践。

　　随着互联网的飞速发展，Internet在生产生活中发挥着日益重要的作用，而PLC技术也在宽带网络接入手段中占据了重要的地位。从户外中压PLC到户内低压PLC的接入方案，被认为是解决宽带接入的“最后一公里”问题的理想方案，该类研究兴起于北美，近年来发展迅速。

　　对于中压电力线网络，由于其业已存在的广泛分布，成为了在偏远地区实现高速网络接入的理想媒介，以缩短和消除城市地区与农村地区，发达地区与不发达地区之间的“数字鸿沟”。在偏远或者人口密度较低的地区，短期内通过PLC以外的其它技术手段实现较大带宽的数字通信服务，会面临较多的困难；在城市地区广泛使用的xDSL或者通信光缆一般均难以铺设到这些地区；卫星通信在一些地区可以实现，但是低通信速率以及信道租用和终端所带来的高成本，使其大规模应用受到很大限制；以GSM、IS-95、WCDMA等为代表的蜂窝通信技术本身是针对高用户密度的应用场景所设计，如果在用户密度较低的地区使用，将带来通信能力的严重浪费和高昂的运营成本，从而难以得到推广和普及，在发展中国家，这一矛盾尤其突出。就国内的情况而言，我国幅员辽阔，有相当数量的农村地区处于偏远、人烟稀少的地带，这些区域的通信发展相对滞后。据统计，我国行政村固定电话覆盖率为94%~97%，数据通信的覆盖率则更低。由于自然和经济条件的制约，若采用现有的通信方式，改善这些地区的信息服务将面临越来越多的困难。而行政村的通电率已接近100%，且电网覆盖是区域发展的基本条件，因此，利用电力传输网络实现宽带网络接入，是适合国情、可行并且经济的方案，图1为农村中压PLC接入网系统的结构示意图。


图1 农村中的PLC接入网系统

　　中压电力线信道研究

　　电力线设计的初衷是传递频率为50~60Hz的电力信号，将其功能扩展到语音或者数据信号传输时将面临复杂的电磁环境。因此，对于PLC技术而言，针对电力线信道特性的研究是非常基础和关键的。在我国，由于中压线路分布和负载情况更为复杂，变电站间线路相对较短以及干扰相对较强，中压电力线组网通信所面临的物理层环境比较复杂和恶劣。近年来，相关科研机构对中压电力线信道特性进行了卓有成效的研究，笔者也对我国北方典型农村地区的中压电力线信道特性进行了多次实地测量和分析，这些研究成果为实际的工程应用提供了参考。

　　一般来说，电力线信道对于数字通信的负面影响主要来源于三个方面：变化的阻抗特性；频率选择性的信道衰减特性；有色背景噪声和多种冲激噪声。

　　研究信道阻抗特性的目的主要是为了实现信道与发射机、接收机之间的阻抗匹配，当阻抗失配时，将造成信号能量的浪费，甚至出现哑信号点。由于中压配电网的分支多，负载情况复杂，线路阻抗会随距离、频率、时间而变化，且变化范围大，一般在几十欧~几百欧之间，图2即为中压电力线阻抗特性随频率变化曲线。故在实现宽带网络接入时，阻抗匹配比较困难；目前，通常采用在耦合技术中通过牺牲匹配性能来适合线路侧宽范围内阻抗的方法，也有系统在发射机端采用阻抗自适应的功率放大设备等，以达到较好的阻抗匹配效果。


图2 中压线路阻抗特性曲线

　　信道衰减特性对于数字通信的效果有着重要影响。中压线路的衰减比低压线路的衰减严重，有实验表明，平均每100m幅值衰减可达到8dB~11dB。同时，中压线路的衰减也表现出明显的频率选择性，在一些频率点或者频段，会出现深度的传输衰减。由大量分支点造成的多径效应被认为是一个主要原因。实验证明，在这些深度衰减的频段上，很难实现成功的通信连接，必须在实际通信系统中予以回避。

　　中压电力线平均噪声功率在-60~-70dBm/Hz左右。其中，由多种低功率噪声的叠加而成的有色背景噪声功率一般在-60~-70dBm/Hz之间，在一些频段可低于-80dBm/Hz，其整体随频率增高而减弱，且功率谱变化较慢，一般为分钟甚至小时量级；主要由通信带宽内的广播电台等其它无线通信信号造成的窄带噪声，平均占用2k~4kHz的带宽，功率较高，较背景噪声高出约30~50dBm/Hz，该类干扰一般长时稳定存在；对通信效果影响最大的是冲激噪声，该类噪声随机产生，持续时间很短，一般为几十或者几百毫秒，绝大部分功率高于背景噪声10~30dBm/Hz，当冲激噪声发生时，噪声频段内的数据传输将可能出现严重的突发性误码。图3为我国农村中压电力线在40k~560kHz频段内的典型噪声频谱。


图3 国内农村中压线路噪声特性曲线（40k-560kHz）

　　中压PLC关键技术与应用系统

　　中压电力线信道是一个很不稳定的高噪声、强衰减的传输通道，高效可靠的调制编码技术对于电力线通信非常重要。目前，国内外针对不同通信场景对速率、可靠性的要求，对各种调制技术在中压PLC中的应用进行了大量的研究和测试。

　　根据对中压信道特性的研究，噪声功率一般随频率升高而降低，但同时多径效应所引起的深衰落也在高频端更为严重，因此，在选择PLC载波频率时，需要根据实际线路情况在二者之间进行折衷。国内外的大量实践证明，5k~50kHz的载波频率对于多数中压配电自动化系统是比较合适的。在配电自动化的应用中，多为单向数据传输，且主要要求有较高的可靠性，对实时性的要求不是很高，因此，一般都选取较低的传输速率，一般在10bps~1000bps之间。在调制技术方面，目前使用最多的是窄带调制方法，如ASK，FSK或者CPSK都得到了比较广泛的应用。近年来为在强噪声干扰的环境下实现数据传输，跳频、直接序列扩频、Chirp跳频等扩频通信技术也被引入到中压PLC系统中。

　　在利用中压PLC实现数据网络接入的场景中，由于通信速率较高，对所采用的调制编码技术的信道利用率，对突发噪声和脉冲噪声的规避或者对抗能力都提出了较高的要求。目前，在中、低速率的接入网研究中，BPSK、QPSK等调制方法得到了应用，为了对抗频率选择性衰落的信道特性，一般都会同时应用高阶的差错控制编码，这同该调制方法本身不高的频带利用率相结合，使得系统的通信速率会受到较大限制。CDMA技术可以有效的对抗传输信道中的窄带噪声等干扰，但是在CDMA系统中所要求的较高处理增益，在存在严重的频率选择性衰落的电力线信道上很难达到，所以CDMA系统的优势在PLC中并不能得到完全的发挥，一般认为，速率超过1 Mbps，它就不再适用。对于更高传输速率的接入网络，多载波正交频分复用(OFDM)技术被认为是最为合适的技术方案。OFDM以多个相互正交的载波对数据进行调制，将串行数据流变换为并行处理。其拥有接近香农限的高信道利用率；并且可以有效的对抗多径效应，解决码间串扰问题，也具备较强的抗突发干扰的能力；另外，在信道分配上，OFDM也提供了灵活操作的可能性，得以规避通信带宽内深度衰落的频带；OFDM技术在高速PLC中应用广泛。

　　在MAC层协议中，目前的研究表明，带有冲突避免的有竞争CSMA/CA协议，基于TDMA的无竞争预约协议，以及将两者相结合的混合型协议，比较适合于中压宽带接入网络，并且已在实际系统中得到应用。

　　总体而言，PLC应用系统经过了模拟——单片机集成电路——现代数字信号处理技术的发展过程。中压PLC系统起点较高，目前已广泛采用DSP器件和专用芯片的解决方案。上世纪90年代中期以后，高速PLC芯片产业发展迅速，国外多家公司都研究开发了相应产品。

　　在市场的推动下，北美的中压PLC宽带接入应用系统发展迅速。Amperion公司研究了发变电站至变压器之间的中压电力线上的高速数据传输技术，以及MV - PLC与LV - PLC为一端、光纤和无线网络为另一端的接口技术，从而提供了从中压传输到低压传输，从户外接入到户内组网的端到端PLC解决方案。目前，该系统的主要技术已经通过实验室试验，Amperion公司及合作伙伴正极力推动该类接入网络的商业进程。

　　近年来受到广泛关注的MV - PLC接入在农村地区的应用，目前主要还停留在实验系统的阶段。文献[1]中所介绍的接入系统物理层采用BPSK调制方法，利用BCH编码、交织等技术对抗信道衰减和突发噪声，MAC层使用CSMA/CD和TDMA的混合协议，在南非的郊区和低人口密度地区的中压电力线网络传输实验中实现了Internet接入，传输距离达到了4 km，但未能达到VoIP所要求的QoS保证。文献[2]中，在北美农村13.8 kV电网上采用基于QPSK调制的全双工数字宽带通信方案，在17 MHz和83 MHz频段上在实现了2 Mbps的TCP/IP连接。

　　结语

　　中压电力线通信技术在中压配电自动化、城市和农村地区宽带网络接入等方面具有独特的优势和很大的发展潜力，如果得到广泛应用，将对国民经济的发展产生积极的促进作用。近年来，国内外相关的研究和应用都得到了迅速的发展，有理由相信，随着相关技术的进步和成熟，中压电力线通信会在信息社会中扮演日益重要的角色。